Frein à pression CNC commandé par une pompe servo: Analyse de la consommation d’énergie
Par auteur: Mark Hanks
La consommation d’énergie est un sujet important lors du choix des freins à pression CNC. Les freins à pression électrohydrauliques traditionnels utilisent des soupapes servo-proportionnelles pour contrôler le mouvement des poutres supérieures, Mais les pertes de structure électrohydraulique dans cette compétition énergétique causées par la régulation et le trop-plein réduisent l’efficacité globale.
Un frein à pression CNC commandé par une pompe à servopompe avec des servomoteurs à vitesse variable peut contrôler directement le débit hydraulique et la pression selon différentes exigences de flexion. Ce système avancé peut réduire la consommation d’énergie inutile, Améliorer l’efficacité hydraulique, et assurent une meilleure stabilité thermique.
Cet article expliquera la comparaison entre les systèmes hydrauliques de servopompe et servo-vannes à travers une analyse de simulation et expliquera pourquoi la technologie de servopompe devient un bon choix pour le formage de tôlerie économe en énergie.
Qu’est-ce qu’un frein à pression CNC contrôlé par une pompe à servo?
Un frein à pression CNC avec technologie de pompe à servopompe utilise un système innovant de contrôle du mouvement du bélier à pression dans son système hydraulique. Dans ce système, Un servomoteur est responsable de l’entraînement de la pompe hydraulique.
Une différence significative entre un frein à pression contrôlé par un système de valve proportionnelle servo traditionnel et un servo à pompe réside dans la méthode de contrôle d’un débit excessif d’huile hydraulique. Le système servo de la pompe modifie la sortie d’huile hydraulique selon les exigences du système pour un cycle de flexion spécifique, ce qui réduit les pertes par limitation.
À mesure que les fabricants s’intéressent de plus en plus à l’énergie demandée par les procédés de production et aux coûts d’exploitation d’une machine, L’accent est mis sur l’optimisation du processus de production. Des systèmes hydrauliques de freins à pression CNC plus économes en énergie devraient être réalisés prochainement grâce à des stratégies de contrôle plus intelligentes, comme la technologie de contrôle de la servopompe.
1. Comment fonctionne un système hydraulique à pompe servo?
Le schéma hydraulique du frein à pression CNC commandé par servopompe est illustré à la Figure 1.
Figure 1. Schéma hydraulique d’un frein à presse CNC contrôlé par une pompe à servo
Le processus de fonctionnement du système contrôlé par pompe servo se compose de cinq étapes:
Phase d’approche rapide
Les servomoteurs 1M/2M entraînent la pompe bidirectionnelle à déplacement fixe (3) en rotation avant, Alimentation en huile à la chambre sans tige du cylindre hydraulique (12). En même temps, Soupape de remplissage (11) Ouvre, Permettre d’ajouter de l’huile du réservoir de remplissage pour augmenter le débit du cylindre. Le bélier descend rapidement, la vitesse d’approche est contrôlée par la vitesse du servomoteur.
Phase d’alimentation opérationnelle
Lorsque l’outil de pliage touche la pièce, La vanne de remplissage se ferme. L’huile hydraulique est fournie uniquement par la pompe, permettant à la pression de s’accumuler à l’intérieur du cylindre. La vitesse d’alimentation de travail est précisément contrôlée par la vitesse de rotation du servomoteur.
Stage Dlive
Après que le bélier atteigne le centre pile en bas, La pompe servo cesse de tourner. Le système maintient la pression pour réduire la déformation de reculement après la flexion.
Étage de décharge de pression
À ce stade, La direction de la pompe change sous le contrôle des servomoteurs, et l’huile est fournie à la chambre de la tige. Le bélier monte lentement sous contrôle CNC.
Phase de retour
La pompe servo continue de fonctionner dans le sens inverse. La vanne de remplissage est ouverte pour permettre à l’huile dans la chambre sans tige de retourner dans le réservoir de remplissage. La vitesse de retour est régulée par la vitesse du servomoteur.
Comparaison entre pompe à servopompe et système hydraulique à valve servo
| Élément comparatif | Système à servovalve contrôlé | Système à pompe à servo |
| Principe de contrôle | Utilise des servovannes et des vannes proportionnelles pour réguler le débit et la pression hydrauliques | Utilise des pompes à déplacement variable actionnées par des servomoteurs pour contrôler directement le débit |
| Vitesse de réponse | Réponse très rapide (typiquement 5 à 50 ms), adapté au contrôle dynamique à haute vitesse | Réponse plus lente due à l’inertie de la pompe (typiquement 100–500 ms), mais suffisant pour les applications de freins à pression CNC |
| Efficacité énergétique | Rendement inférieur dû aux pertes par limitation et pertes par dépassement; Une génération accrue de chaleur | Efficacité supérieure car la puissance hydraulique est fournie selon la demande réelle; Réduit la consommation d’énergie inutile |
| Production de chaleur | Génère plus de chaleur hydraulique, nécessitant souvent des systèmes de refroidissement plus grands | Génère moins de chaleur, améliorer la stabilité de la température de l’huile hydraulique et réduire les besoins en refroidissement |
| Précision du contrôle | Excellente position, vitesse, et la précision du contrôle de pression | Haute précision statique avec des performances de suivi dynamique légèrement inférieures |
| Coût du système | Coût des composants plus bas, Technologie mature, Entretien plus facile | Investissement initial plus élevé grâce aux servomoteurs et pompes variables |
| Complexité du système | Structure hydraulique plus simple avec des composants de vannes standardisés | Système en boucle fermée plus complexe avec servopompes, Électronique de contrôle, et des composants hydrauliques supplémentaires |
| Protection contre la surcharge | Soulagement rapide de la pression via des soupapes de sécurité, Fournir une protection sensible contre la surcharge | Cela dépend principalement de la limitation de puissance de la pompe, avec une réponse à la surcharge plus lente |
| Niveau de bruit | Bruit de commutation de vannes et fluctuations de pression plus élevés | Fonctionnement plus fluide avec moins de bruit hydraulique |
Comme expliqué dans le tableau comparatif ci-dessus, La principale différence entre les systèmes hydrauliques de servopompe et servo-valve réside dans la manière différente de contrôler le débit hydraulique d’huile hydraulique. Un système de servopompe contrôle la vitesse de la pompe en fonction du débit requis, Ce qui est très utile pour réduire les pertes de limitation et la consommation d’énergie inutile. Au contraire, Les systèmes de servovannes régulent le débit hydraulique à travers l’ouverture et la fermeture de la soupape, ce qui génère des pertes hydrauliques supplémentaires pendant le fonctionnement.
Système à commande par vannes (Contrôle de la limitation)
Dans un système hydraulique contrôlé par soupapes, La pompe maintient une pression et un débit constants d’huile. Une vanne proportionnelle permet un contrôle complet du débit vers le cylindre hydraulique.
Dans ces conditions, La pression et le débit supérieurs à ceux requis par la charge sont éliminés par régulation au niveau de la vanne ou évacués par une soupape de décharge. Cela convertit l’excès d’énergie hydraulique en chaleur et provoque une perte d’énergie.
Analogie: L’approvisionnement en eau est entièrement ouvert, tandis que le débit est contrôlé en bloquant partiellement la sortie de la conduite avec une vanne d’arrêt. La pression d’eau excédentaire est gaspillée. Ces systèmes utilisent presque toujours un circuit hydraulique ouvert.
Système à commande par pompe (Contrôle volumétrique)
Dans un système hydraulique à pompe, Le mouvement des actionneurs est contrôlé en ajustant le déplacement ou la vitesse d’une pompe à déplacement variable, permettant au système de fournir le débit et la pression exigés par la charge tout en subissant des pertes minimales par régulation.
Dans ce système, la sortie de la pompe correspond exactement au débit nécessaire à l’actionneur, ne créant pratiquement aucun débordement, ce qui entraîne presque aucune limitation ni perte de chaleur.
Analogie: Un système comme celui-ci est très similaire à un système d’eau contrôlé par pompe, Pompe à eau à vitesse variable, qui ne gaspille pas de pression excessive. Ces systèmes sont presque toujours conçus comme des circuits hydrauliques fermés, utilisation d’une pompe à déplacement variable avec un moteur à déplacement fixe ou un cylindre hydraulique.
2. Analyse de la consommation d’énergie des freins à pression CNC
2.1 Configuration et séquence de fonctionnement du modèle
Un modèle de simulation d’un système hydraulique de frein à pression CNC contrôlé par soupapes a été établi, comme montré dans Figure 2, et le modèle du système hydraulique contrôlé par pompe du frein à pression CNC, comme montré dans Figure 3. Les paramètres de fonctionnement des deux systèmes sont listés dans le tableau 1.
Figure 2 Modèle de simulation du système hydraulique contrôlé par soupape pour le frein à piston
Figure 3. Modèle de simulation du système hydraulique contrôlé par pompe pour le frein à piston
Tableau 1. Spécifications de temps d’action et de vitesse
| Action | Approche rapide | Flux de travail | Dwell | Décharge de pression | Retour de la course |
| Temps contrôlé par la valve (s) | 1.5 | 2 | 1.5 | 1.5 | 2 |
| Vitesse (mm/s) | 90 | 8.5 | 0 | 0 | 75 |
| Temps contrôlé par la pompe (s) | 0.75 | 2 | 1.5 | 1.5 | 1 |
| Vitesse (mm/s) | 180 | 8.5 | 0 | 0 | 150 |
Le système contrôlé par la pompe servo utilise un servomoteur pour réguler directement la vitesse et le débit de la pompe. Les servomoteurs présentent des avantages par rapport aux moteurs traditionnels à vitesse fixe, avec des réponses rapides et des vitesses de rotation élevées qui raccourcissent finalement le temps d’approche et de retour.
Pour faire une évaluation appropriée, Les deux systèmes étaient réglés avec les mêmes paramètres hydrauliques. Les principaux réglages sont présentés au Tableau 2.
Tableau 2. Paramètres clés
| Composant / Système | Paramètre | Valeur |
| Cylindre hydraulique (Les deux systèmes) | Diamètre du forage | 170 mm |
| Diamètre de la tige | 160 mm | |
| Caresser | 200 mm | |
| Système à commande par vannes | Déplacement de la pompe | 16 cc/régime |
| Vitesse du moteur | 1450 tour/min | |
| Système à commande par pompe | Déplacement bidirectionnel de la pompe | 16 cc/régime |
| Les deux systèmes | Force de charge | 625,000 N (par face) |
| Système à commande par vannes | Courant nominal de la valve servo | 40 mA |
| Fréquence naturelle de la soupape servo | 80 Hz |
Pour le système à commande de vannes, L’ouverture de la soupape servo était ajustée par des signaux de courant d’entrée pour atteindre les vitesses requises dans le cylindre. Les vannes directionnelles et de remplissage étaient contrôlées selon la séquence de fonctionnement. La courbe de temps de déplacement du piston est représentée à la Figure 4.
Figure 4. Déplacement du piston du cylindre hydraulique vs. Courbe temporelle
Pour le système à commande par pompe, Débit et direction de sortie de la pompe contrôlés par servomoteur. Le fonctionnement de la vanne de remplissage était contrôlé par commutation directionnelle, et la courbe de déplacement résultante est également présentée à la Figure 4.
2.2 Combien d’énergie une pompe à servopompe et frein à pression CNC peut-elle économiser?
Le système contrôlé par la pompe servo réduit le temps de cycle en augmentant la vitesse des étapes d’approche rapide et de retour. La taille du pas de simulation était fixée à 0.001 s, avec des temps de simulation totaux de 8,5 s pour le système à commande par vanne et de 6,75 s pour le système à pompe.
Les données de pression et de débit provenant de la pompe bidirectionnelle ont été exportées vers MATLAB pour calculer la consommation d’énergie. Les courbes de puissance-temps sont représentées à la Figure 5.
Figure 5. Puissance vs. Courbes temporelles
Pendant les phases d’alimentation et de retour en fonctionnement., Le système contrôlé par pompe servo montrait une puissance instantanée plus élevée car l’énergie était directement fournie à l’actionneur. En revanche,, Les systèmes à commande de soupapes subissent des pertes hydrauliques supplémentaires causées par l’accélération et le débordement.
L’intégration numérique de MATLAB a montré que:
• Système à pompe servo: environ 43,69 kJ par cycle
• Système à commande de soupapes: environ 124,9 kJ par cycle
Par conséquent, dans les mêmes conditions de travail, Le système contrôlé par pompe servo consommait environ 65 % d’énergie en moins que le système à vannes.
2.3 Réduction du débit d’huile hydraulique et avantages en termes de température
Les courbes totales d’écoulement hydraulique d’huile obtenues à partir de la simulation JS Ragos sont illustrées à la Figure 6.
Figure 6. Débit total vs Débit total. Courbes temporelles
La demande en volume d’huile a été calculée en intégrant le débit provenant de la sortie de la pompe et de la vanne de remplissage lors de l’étape d’approche rapide.
À partir des résultats de la simulation, Nous avons trouvé
• Système à pompe servo: ~ 7.53 L
• Système à commande de soupapes: ~ 10.243 L
Au cours du même cycle de fonctionnement, Le système à pompe servo nécessitait ~ 26 % de débit d’huile hydraulique en moins.
Quels types de clients conviennent pour les freins à pression CNC à pompe par servopompe?
Comparé aux systèmes traditionnels, La technologie de contrôle des pompes a amélioré l’efficacité énergétique, Réduction des pertes hydrauliques, et une meilleure stabilité de la température. Toutefois, L’utilisation de servomoteurs à entraînement direct, Pompes à déplacement variable, et des commandes avancées, cela conduit à un prix plus élevé par rapport aux systèmes traditionnels.
À cause du prix, La technologie de contrôle des pompes n’est pas idéale pour tous les environnements de fabrication. Toutefois, Il est particulièrement idéal pour ces environnements de fabrication:
1. Fabricants à fort volume avec de longues heures d’exploitation
Dans la fabrication de la tôle, Le coût énergétique contribue fortement au coût global de fabrication lorsque l’atelier fonctionne pendant de longues heures.
Dans les systèmes traditionnels à servovalve contrôlée, L’énergie hydraulique est convertie en chaleur au cours du procédé, et cette perte d’énergie est une forme de perte de limitation.
Contrairement aux systèmes traditionnels, Un système de contrôle basé sur la technologie de la servopompe contrôle la sortie de la pompe pour répondre à la demande de chaque opération de courbure. Ce système est conçu pour fournir l’énergie hydraulique nécessaire à chaque opération afin de minimiser la consommation d’énergie lors d’une production prolongée.
La technologie de contrôle de la pompe est idéale pour les industries suivantes:
Fabrication de composants automobiles
Production d’armoires électriques à grand volume
Fabrication de tôle pour gros appareils ménagers
Fabrication de métaux à grande grande quantité
2. Fabricants préoccupés par l’augmentation des coûts énergétiques
L’augmentation des prix de l’électricité dans le secteur entraîne des coûts opérationnels plus élevés. Cette situation a contraint les fabricants à prendre en compte les coûts opérationnels lors de l’achat de nouvelles technologies de fabrication.
Dans ce contexte, La technologie de contrôle de pompe offre un avantage concurrentiel aux fabricants situés dans des pays où les coûts d’électricité sont plus élevés, ou pour les fabricants qui souhaitent réduire leur empreinte carbone.
3. Environnements de production stabilisés par le contrôle de la température du fluide hydraulique
Les systèmes hydrauliques classiques sont moins efficaces en raison des pertes par régulation, qui génèrent une chaleur inutile. Cela peut entraîner des effets négatifs considérables sur le système hydraulique lors de longues périodes de fonctionnement à grande vitesse.
- Températures élevées du fluide hydraulique
- Dégradation du fluide hydraulique
- Détérioration des joints toriques et des joints
- Stabilité réduite du système
Systèmes de servopompes, en éliminant les pertes d’énergie, sont conçus pour générer moins de chaleur et fonctionner avec une plus grande stabilité des températures hydrauliques des fluides.
En conséquence, ils sont plus appropriés pour
- Activités de production dans des environnements à haute température
- Fonctionnement continu des machines de pliage dans des installations de production 24h/24 et 7j/7
- Lignes de production nécessitant une grande stabilité des équipements
4. Les entreprises se concentraient sur la valeur de leur investissement
Le prix d’achat d’un système à pompe est généralement supérieur à celui d’un système à vannes. Toutefois, La première est conçue pour produire des bénéfices importants à long terme qui compensent essentiellement le coût initial plus élevé, y compris:
- Réduction de la perte d’énergie hydraulique
- Diminution du chauffage du système
- Réduction de la demande de refroidissement
- Amélioration de la stabilité des conditions de fonctionnement des composants hydrauliques
Ces avantages entraînent une réduction des coûts globaux du système et une diminution de l’entretien sur toute la durée de vie du système hydraulique.
Pour les fabricants axés sur la production à long terme de leurs freins à pression, La technologie contrôlée par pompe est un système plus pratique.
5. Entreprises manufacturières hautement automatisées
Les exigences des lignes de production automatisées modernes incluent:
- Fonctionnement de machines hautement stables
- Un haut degré de répétabilité
- Production prolongée et, idéalement, continu
Les techniques de production automatisées utilisant des systèmes de contrôle par servopompe à haute stabilité hydraulique sont particulièrement adaptées aux systèmes de production désormais très automatisés et typiques qui intègrent des freins à pression robotisés et des cellules de flexion automatisées.
Avantages de la technologie de la pompe servo
1. Vitesse accrue
Le temps de réponse d’un moteur asynchrone entraîné par un entraînement à fréquence variable est d’environ 600 ms. En revanche,, avec des moteurs synchrones à aimant permanent et des servo-entraînements, Le système peut atteindre un temps de réponse de 50 ms.
2. Contrôle renforcé
Avec un système de contrôle de pompe à servo-moteur, Un système de contrôle en boucle fermée est mis en œuvre. Les valeurs commandées sont continuellement comparées aux valeurs réelles via des capteurs de vitesse et de pression.
Le système de contrôle accorde automatiquement le servo-moteur et le système de pompe pour un contrôle optimal de la pression, Écoulement, et le mouvement.
3. Réduction de la consommation d’énergie
Puisqu’un système de commande de pompe à servomoteur est conçu pour être un système de commande à vitesse variable, Le servomoteur est capable d’ajuster sa vitesse aux besoins de débit du système. Par conséquent, lorsque le système fonctionne à basse vitesse, La consommation d’énergie du système diminue.
Dans différentes configurations de machines et selon les conditions opérationnelles, Les économies d’énergie peuvent se situer entre 30 % et 80 %.
4. Système hydraulique intégrém
Un système de commande de pompe à servomoteur permet à une pompe à déplacement fixe d’assurer une sortie proportionnelle. Cela réduit la nécessité de nombreux composants du système et offre ainsi un système plus simplifié.
Le système réduit le débordement continu à haute pression et abaisse la température de l’huile hydraulique, ce qui prolonge la durée de vie de l’ensemble du système hydraulique.
5. Réduction du niveau de bruit et haute compatibilité environnementale
La fonction de contrôle de vitesse d’un système de commande à pompe à servomoteur signifie que le niveau sonore du système n’est que suffisant pour la demande de fonctionnement actuelle.
Le niveau de bruit typique peut être environ 8 à 10 dB inférieur à celui d’un système hydraulique standard, améliorant grandement l’environnement acoustique de l’atelier.
Conclusion
Les freins à pression CNC commandés par pompe par servo offrent une option plus économe en énergie que le système hydraulique traditionnel servo proportionnel à soupapes. En contrôlant directement la vitesse de la pompe et le débit d’huile hydraulique selon les besoins réels de courbure, La technologie de la pompe servo peut réduire les pertes par régulation et améliorer l’efficacité globale de l’huile hydraulique.
Selon l’analyse de simulation JS RAGOS, Le système contrôlé par pompe servo consommait environ 65 % d’énergie en moins par cycle de flexion comparé au système contrôlé par servovalve dans les mêmes conditions de fonctionnement. De toute façon, La réduction de la demande de débit hydraulique aide à diminuer la production de chaleur et à mieux contrôler la température de l’huile hydraulique lors d’un travail continu de la machine.
Pour les fabricants de tôlerie à fort volume de production, Longues heures de fonctionnement de la machine, et des problèmes énergétiques croissants, Les freins à pression servo JS Ragos contrôlés par pompe peuvent offrir des avantages significatifs à long terme.
JS RAGOS s’engage à développer des solutions économes en énergie pour les freins à pression CNC et les solutions intelligentes de formage de tôle. En apportant la technologie hydraulique avancée à la fabrication pratique, nous aidons les clients à atteindre une production plus efficace et durable.
FAQ
Q1. Qu’est-ce qu’un frein à pression CNC contrôlé par une pompe servo?
Les freins à pression CNC contrôlés par servopompe sont équipés de servomoteurs contrôlant directement la vitesse hydraulique de la pompe et le débit de sortie. Comparez avec les systèmes traditionnels à commande de soupapes, Il fournit de la puissance hydraulique selon les besoins réels de flexion et permet d’économiser de l’énergie.
Q2. Combien d’énergie un servopompe à frein à pression CNC peut-il économiser?
Selon les résultats de simulation JS RAGOS, Le système contrôlé par pompe servo consommait environ 65 % d’énergie en moins par cycle comparé à un système hydraulique contrôlé par servovalve dans les mêmes conditions de fonctionnement.
Mais les économies d’énergie réelles sont influencées par de nombreux facteurs comme la configuration des machines, Cycle de production, Conditions de flexion, et horaires d’ouverture, etc..
Q3. Quelle est la différence entre un système de pompe servo et un système hydraulique à servo-valve?
Un système de servovannes contrôle le débit hydraulique d’huile en régulant l’ouverture et la fermeture de la soupape, ce qui entraînerait des pertes de limitation et une production de chaleur plus élevée.
Un système de servopompe contrôle le débit hydraulique en régulant la vitesse de la pompe, permettant de fournir de la puissance hydraulique uniquement lorsque nécessaire. Elle est plus favorable à l’efficacité énergétique, et la température de l’huile hydraulique.
Q4. Les freins à pression CNC à pompe à servopompe conviennent-ils à tous les fabricants?
Les freins à pompe CNC à servopompe sont particulièrement adaptés aux fabricants de tôles avec de grands volumes de production et de longues heures d’exploitation.
Pour les clients dont l’utilisation des machines est faible ou qui n’ont pas assez de budget, Les systèmes traditionnels à servovalve contrôlée pourraient encore être une option adaptée.
Q5. La technologie de la servopompe peut-elle améliorer les performances des freins à pression CNC?
Oui. Les systèmes de servopompe peuvent améliorer l’efficacité des machines en offrant une vitesse de travail d’approche et de retour plus rapides ainsi qu’un fonctionnement plus stable pendant une production continue.
Q6. Un servo-pompe CNC est-il digne d’un investissement plus élevé?
Les systèmes de servopompe sont généralement plus coûteux que les systèmes de servo-valve, Mais ils peuvent offrir de meilleurs coûts d’exploitation à long terme et un meilleur retour sur investissement grâce à leur consommation d’énergie et à leur production de chaleur plus faibles.
